毛卓飛

通過實(shí)驗(yàn)得出“質(zhì)量相等的不同物質(zhì)升高相同溫度時(shí)吸收的熱量不等，且各自吸收的熱量與其質(zhì)量和升高溫度的乘積之比是一個(gè)定值”，這是初中物理比熱容教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。選用何種熱源、采用怎樣的加熱方式，才能滿足實(shí)驗(yàn)要求呢？圍繞這一問題，我進(jìn)行了多種嘗試，在理論分析、實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上最終確定了采用內(nèi)置雙U型螺旋電阻絲豎直放置法完成實(shí)驗(yàn)。下面就此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新的過程進(jìn)行簡要的介紹，供讀者參考。

方案一：相同電熱器加熱法

蘇科版教材采用兩個(gè)完全相同的酒精燈供熱的方式完成實(shí)驗(yàn)，這在理論上是可行的，但在實(shí)踐中很難保證兩個(gè)酒精燈的火焰大小完全相同。那么如何才能讓熱源的供熱速度完全相等呢？我首先想到了相同電熱器加熱法，其中最典型的就是人教版教材采用的方案：用天平稱取相同質(zhì)量的水和沙子，分別裝入兩個(gè)相同的燒杯內(nèi)，用兩個(gè)相同規(guī)格的熱得快給它們加熱，用溫度計(jì)測量相同時(shí)間內(nèi)沙子和水升高的溫度。

優(yōu)點(diǎn)：熱得快功率穩(wěn)定，與酒精燈相比，更能做到相同時(shí)間內(nèi)放出的熱量相等。

缺點(diǎn)：首先，使用本方案必須考慮教室里是否具備使用熱得快進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)的設(shè)備條件，學(xué)生使用熱得快是否安全等因素。其次，因?yàn)樯匙雍退拿芏炔煌?，等質(zhì)量的沙子和水的體積不同，所以放在相同的燒杯中時(shí)沙子和水的高度必然也不同，這樣就難以保證熱得快插入水和沙子里的深度相同，導(dǎo)致熱得快與沙子和水的接觸面積不同，無法滿足沙子和水在相同的時(shí)間內(nèi)吸收的熱量相等的實(shí)驗(yàn)條件。最后，這種加熱法理論上雖然可以通過用玻璃棒攪拌使沙子受熱均勻，而事實(shí)上由于熱得快和溫度計(jì)的存在，是不可能將沙子充分?jǐn)嚢杈鶆虻摹?/p>

結(jié)論：相同電熱器加熱法不具有可行性。

方案二：“水浴”加熱法

為獲得相同的熱源，并使沙子和水盡可能受熱均勻，我又嘗試了“水浴法”。把蘇科版教材中采用的用兩個(gè)酒精燈加熱改為只用一個(gè)酒精燈加熱，將裝沙子和水的兩個(gè)相同的燒杯改為兩個(gè)相同的試管，在兩個(gè)相同的試管內(nèi)裝入等質(zhì)量的沙子和水，再將這兩個(gè)試管放入盛有熱水的燒杯內(nèi)，用酒精燈緩緩給燒杯底部加熱。

優(yōu)點(diǎn)：第一，能提供相同的熱源。第二，被加熱物質(zhì)與作為熱源的熱水溫差小，升溫速度慢，受熱更均勻。第三，兩試管靠近，便于快速觀察與比較兩溫度計(jì)的示數(shù)變化情況。

缺點(diǎn)：經(jīng)過實(shí)際操作后發(fā)現(xiàn)，“水浴”加熱法的實(shí)驗(yàn)效果不佳。再經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，在本實(shí)驗(yàn)中存在如下缺陷：一是隨著試管中沙子和水的溫度升高，試管內(nèi)沙子和水的溫度與作為熱源的熱水溫度差越小，吸熱速度就越慢，且與外界空氣的溫差增大，對(duì)外散熱的速度加快，因此，試管中沙子和水在相同時(shí)間內(nèi)獲得的凈熱量就越少，就無法得到等質(zhì)量的同種物質(zhì)升高相等的溫度吸收的熱量相等的結(jié)論。二是因?yàn)樯匙雍退谋葻崛菹嗖钶^大，它們升高的溫度相差較大，所以它們無論是與熱水的溫差，還是與外界空氣的溫差，都變得愈來愈大。因此，沙子和水在相同的時(shí)間內(nèi)獲得的凈熱量越來越不相同，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中甚至?xí)霈F(xiàn)相同的時(shí)間內(nèi)沙子吸熱升溫比水慢的現(xiàn)象。由于“水浴法”采用的熱源是燒杯中的熱水，它本身溫度不高，供熱功率不大，因而這種溫差變化對(duì)被加熱物質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)獲得凈熱量的影響是不可忽略的。

通過以上兩種方案的嘗試我們可以發(fā)現(xiàn)，使用熱源從底部或四周加熱時(shí)要實(shí)現(xiàn)兩種物質(zhì)在相同的時(shí)間內(nèi)吸收的熱量幾乎相同，且基本不變，必須滿足以下三個(gè)條件：第一，熱源相同。第二，熱源與加熱對(duì)象的接觸面積相同。第三，熱源的溫度較高，供熱功率較大，以致研究對(duì)象的溫度變化對(duì)加熱對(duì)象獲得的凈熱量影響極小。

結(jié)論：“水浴”加熱法也行不通。

方案三：同一酒精燈同時(shí)加熱法

由于方案二存在的最大問題是熱水的溫度不夠高，致使研究對(duì)象的溫度變化對(duì)單位時(shí)間內(nèi)加熱對(duì)象獲得的凈熱量影響不可忽略。因?yàn)榫凭珶艋鹧娴臏囟容^高，供熱功率較大，所以說蘇科版教材給水和沙子加熱時(shí)選擇酒精燈是經(jīng)過精心考量的，有其科學(xué)性的一面。于是，我將蘇科版教材中的實(shí)驗(yàn)方法和方案二使用方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，進(jìn)行了第三種嘗試———同一酒精燈同時(shí)加熱法。在兩個(gè)平底試管中裝入等質(zhì)量的沙子和水，將它們放置在同一石棉網(wǎng)中央，用酒精燈外焰在石棉網(wǎng)中央對(duì)石棉網(wǎng)加熱。

優(yōu)點(diǎn)：第一，熱源相同，試管放在被同一酒精燈加熱的同一石棉網(wǎng)上。第二，熱源（被酒精燈加熱的石棉網(wǎng)）與加熱對(duì)象（試管）的接觸面積相同。第三，熱源（被酒精燈加熱的石棉網(wǎng)）的溫度較高，供熱功率較大。所以，同一酒精燈同時(shí)加熱法能夠使沙子和水在相同的時(shí)間內(nèi)吸熱基本相等，且在一定的時(shí)間內(nèi)基本不變。

缺點(diǎn)：作為固態(tài)物質(zhì)的沙子和液態(tài)物質(zhì)的水，其導(dǎo)熱性能和導(dǎo)熱方式不同，即便不斷攪拌，吸熱效率也必然不同。但難以讓學(xué)生確信它們?cè)谙嗤臅r(shí)間內(nèi)吸收的熱量相等。同時(shí)酒精燈外焰溫度高，沙子升溫過快，既要用溫度計(jì)測量沙子的溫度，又要同時(shí)用玻璃棒不斷地在試管里攪拌沙子，使其受熱均勻，難免有些手忙腳亂。

結(jié)論：這種方案還需要改進(jìn)。

方案四：內(nèi)置小功率電阻絲加熱法

通過方案三的嘗試，我們發(fā)現(xiàn)，為了使沙子受熱均勻，必須保證加熱器的溫度不能太高，加熱功率不能太大。而為了使被加熱對(duì)象的溫度變化對(duì)其獲得凈熱量的速度影響可以忽略，又必須使熱源溫度較高，供熱功率較大。如何解決這一矛盾呢？仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，熱源之所以要滿足溫度高、功率大的條件，本質(zhì)上是因?yàn)闊嵩丛诒患訜嵛矬w的外部，發(fā)出的熱量不能全部被加熱材料———沙子和水吸收。采用外部加熱的方式加熱，被加熱材料在相同時(shí)間內(nèi)吸收的熱量受溫差的影響較大，同時(shí)散熱速度也會(huì)隨著被加熱材料的溫度升高而加快。因此，把熱源置于被加熱材料的內(nèi)部，就不需要熱源溫度較高這個(gè)條件了。我設(shè)計(jì)了自制內(nèi)置小功率U型螺旋電阻絲加熱法，具體方案如下：參照研究導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻大小的實(shí)驗(yàn)裝置，將一根電爐絲根據(jù)需要均勻等分成若干段，取其中兩段電熱絲與滑動(dòng)變阻器串聯(lián)后接在學(xué)生電源上。將兩個(gè)電阻絲分別置于大小相等的帶蓋平底試管中，再在試管中放入等質(zhì)量的水和干細(xì)沙子，使電阻絲處于水和沙子的內(nèi)部。

因?yàn)殡娮杞z在沙子和水的內(nèi)部加熱提供的熱量幾乎全部被沙子和水吸收，而且加蓋后沙子和水散熱極慢，所以單位時(shí)間內(nèi)沙子和水獲得的凈熱量近似相等。通過調(diào)節(jié)電源電壓、滑動(dòng)變阻器、沙與水的質(zhì)量，我們完全可以將電阻絲的加熱功率調(diào)到適當(dāng)值以達(dá)到我們的預(yù)定目的。

優(yōu)點(diǎn)：第一，電阻絲置于沙子和水的內(nèi)部，且加了蓋子，可以使沙子和水在相同的時(shí)間內(nèi)吸熱相同，且散熱極慢，最大可能地保證了沙子和水獲得凈熱量的速度相等，并保持不變。第二，這種設(shè)計(jì)使用學(xué)生電源供電，比使用方案一中的電熱器加熱更安全。第三，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓或滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，使電阻絲加熱時(shí)的溫度適當(dāng)，不至于使沙子升溫過快。

存在的矛盾：要控制加熱速度，使沙子緩慢受熱，且受熱均勻，就必須減小電阻絲的功率。但水的比熱容比沙子大得多，升溫速度會(huì)很慢，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長。

結(jié)論：內(nèi)置小功率電阻絲加熱法需要解決縮短時(shí)間與保證均勻受熱這兩者之間的矛盾沖突。

方案五：內(nèi)置雙U型螺旋電阻絲豎直放置法

要解決方案四中的矛盾，就要做到即使電阻絲功率適當(dāng)提高，也能讓沙子各部分受熱均勻。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我在方案四的基礎(chǔ)上做了如下兩個(gè)改進(jìn)：首先，把電阻絲制成雙U型螺旋結(jié)構(gòu)（如圖1），靠近試管底部豎直放置，并使其剛好被細(xì)沙子覆蓋。其次，改水平放置為豎直放置。將U型螺旋結(jié)構(gòu)電阻絲豎直放置，可以使各深度的沙子能同時(shí)受熱，U型螺旋結(jié)構(gòu)又盡可能地增大了接觸面積，即便不攪拌，沙子也能基本受熱均勻。

優(yōu)點(diǎn)：第一，滿足了沙子和水吸熱速度基本相同的條件。第二，由于散熱速度極慢，可以忽略散熱的影響。第三，受熱基本均勻，無需攪拌。

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)：我把一根“220 V800 W”的電阻絲等分成8段，將其中兩段分別制成U型螺旋結(jié)構(gòu)，靠近試管底部豎直放置，將電阻絲串聯(lián)后接在16 V的學(xué)生電源上，再在試管中分別緩緩加入50 g的水和干細(xì)沙子。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加熱一段時(shí)間后水每分鐘溫度升高2.5℃左右，沙子每分鐘溫度升高11℃左右，而且變化是均勻的。

結(jié)論：內(nèi)置雙U型螺旋電阻絲豎直放置法是可行的，也是最為有效的。